微弱信号源的和波束定向方法与分裂波束定向方法的性能比较

本文讨论水下辐射噪声源的精确定向问题，给出被动声纳和波束定向与分裂波束定向方法的性能比较。指出在一定信噪比下，分裂波束精确测向技术比和波束定向技术具有较高的定向精度。但是，随着信噪比的下降，两者趋于一致。推导了估计定向精度的分析表达式，给出在直线阵和圆弧阵情况下，延时估计和声源入射角偏差之间的换算公式和数值模拟结果。同时给出数字式声纳用以计算入射信号左波束和右波束数据的互谱来实现分裂波束定向的方法。     

声呐设计中的系统模拟技术(Ⅱ)

本文继续前文讨论声呐设计中的系统模拟技术。数字多波束声呐对目标的精确定向问题提出了新的要求。本文给出利用多波束输出实时计算信号入射角的几种方法,即内插法、微分相关法及互谱法。系统模拟的结果指出这些方法可以用于实时跟踪多个目标。 后置积累是声呐信号处理的重要组成部分。文中给出两种数字式积累器的系统响应,比较了它们的性能。指出指数型平均积累器是一种便于实现而性能又接近理想平均器的后置积累系统。我们还给出在计算机上进行模拟的结果。最后讨论声呐设计中系统模拟所面临的新问题。     

基于时延估计的分裂阵时域波束形成技术

大孔径拖曳线列阵受舰艇横向机动、洋流影响和水动力影响时会产生一定的阵形畸变,阵形畸变使得波束形成时阵列流型失配,进而降低了目标方位分辨率和阵处理的增益。在无法进行阵形估计时,基于时延估计的分裂阵时域波束形成技术将大孔径拖曳线阵分为左右两个子阵分别做波束形成,通过加权广义相关时延估计算法估算对应波束的时延差,再依据估算时延差对左右两个波束进行延时求和得到最终的波束信号。仿真和海试数据证明,相对于全阵直接做波束形成的方法,基于时延估计的分裂阵的时域波束形成技术有效提高了目标方位分辨率和阵处理的增益。     

声呐设计中的系统模拟技术(Ⅰ)

数字信号处理理论与计算机技术的发展已使系统模拟技术成为声呐设计的新的有力的手段。本文叙述在声呐设计中利用系统模拟技术的必要性以及系统模拟技术的主要功能。文中首先讨论在计算机上模拟声呐环境场的原理及方法。给出一种快速产生带限高斯随机序列的算法和用变采样率产生高精度基阵信号的原理。同时给出数字式多波束、多分层的波束成形系统的计算机模拟的公式。文中给出在计算机上进行系统模拟的某些结果并与理论值作了比较。     

进行子阵加权波束形成的波达方向估计

针对水声信道的多径效应以及海底散射信号信噪比低导致方位估计性能较差的问题,提出了一种基于子阵加权波束形成的UESPRIT算法(Weighted Beamspace UESPRIT Based on Subarrays,BS-BUESPRIT)。首先利用密集波束域转换矩阵估计回波信号的方位谱,进而估计同一时刻到达阵列的回波数目;之后将均匀线阵分为多个尺寸相同、相互重叠的子阵,利用加权波束形成对各子阵接收信号做指定方向的空域滤波;最后基于各子阵波束形成后的输出结果,利用UESPRIT算法实现回波方向的估计。仿真和湖试、海试试验结果表明,与UESPRIT算法相比,BS-BUESPRIT算法提高了信号波达方向估计性能,在多径和较低信噪比条件下有着更高的估计精度,应用于高分辨率测深侧扫声呐时有效地提高了声呐的测深性能。      

阵形畸变对双线阵左右舷分辨的影响及其纠正

双线阵左右舷分辨是利用两个单线阵的波束输出信号进行时延估计,根据时延值的符号判断目标所处的左右舷。当双线阵发生畸变时,特定情况下左右舷结果发生变化。本文对该现象进行了分析,并同时给出了一种修正补偿方法。最后通过对试验数据的处理证明了方法的有效性。     

无源声呐多目标检测中反波束成形递推算法及其应用

随着声呐检测能力的提高,多目标干扰下微弱信号的检测问题日益突出。当声呐方位历程显示上出现多个干扰轨迹时,弱目标的检测显得十分困难。自适应噪声抵消(Adaptive Noise Canceling,ANC)技术为抑制多个干扰提供了理论基础,但是求解稳态最佳滤波矩阵存在着技术实现上的困难。本文提出用一种反波束成形(Inverse Beamforming,IBF)递推算法,在阵元域逐一抵消多个强干扰,从而增强并提取出微弱目标信号。文中给出了递推求解由逆矩阵所表达的最佳滤波矢量的理论推导和相应的公式。利用IBF算法处理海试数据得到了较好的结果,显著改善了强干扰下对微弱信号的检测,甚至在普通波束成形(CBF)中未能显示出来的信号都可以被检测出来。      

基于时延估计的双子阵时域波束形成技术

大孔径拖曳线列阵受舰艇横向机动、洋流影响和水动力影响时会产生一定的阵形畸变,阵形畸变使得波束形成时阵列流型失配,进而降低了目标方位分辨率和阵处理的增益。在无法进行阵形估计时,基于时延估计的双子阵时域波束形成技术将大孔径拖曳线阵分为左右两个子阵分别做波束形成,通过加权广义相关时延估计算法估算对应波束的时延差,再依据估算时延差对左右两个波束进行延时求和得到最终的波束信号。仿真和海试数据证明,相对于全阵直接做波束形成的方法,基于时延估计的双子阵的时域波束形成技术有效提高了目标方位分辨率和阵处理的增益。     

波束形成与独立分量分析融合的宽带高分辨方位估计方法

针对波束域高分辨方位估计存在方位估计偏差大等缺点,提出了将波束形成与独立分量分析融合的宽带高分辨方位估计方法:(1)阵元域数据转换到波束域后,对多波束数据利用基于二阶统计量的独立分量分析算法处理,(2)将波束域独立分量分析融合方法输出结果重构回阵元域信号,(3)对重构后的阵元域数据,使用约束最优化方法改进的MUSIC算法做高分辨方位估计。最后利用ICS (Interactre Circuts&System)声呐模拟器数据和海试数据对算法进行了验证。结果表明:本文方法在弱目标检测、观测区域外强干扰抑制、方位分辨率方面都优先于波束域MUSIC和波束MVDR方法。      

用双线列阵区分左右舷目标的延时估计方法及其实现

双线列阵声呐可以利用自身的指向特性区分左右舷目标,但是其性能受线阵间距的约束,且存在分辨盲区。本文提出利用两个单线阵接收信号的时延差区分左右舷目标的方法。该方法对线阵间距具有宽容性,并且盲区明显减小。给出了理论分析结果和实施技术方法,提出了基于内插法的延时精确估计方法,从而可以解决左右舷目标的分辨问题。     

数字式多分层多波束系统指向性的计算机模拟

用横向滤波器形成多波束是数字式声呐的一种新的波束成形方法。这种系统的指向性与采样频率、分层比特数及延时补偿的量化误差有关。系统实际指向特性与理想稳态特性之间的差异将直接影响声呐的性能。本文给出计算这种系统指向性的各种必要公式。同时在计算机上进行系统模拟。模拟的结果可为数字式声呐某些参数的选取提供依据。     

频域盲源分离与波束形成结合抑制方向性强干扰方法

针对方向性强干扰严重影响无源声呐弱目标检测的问题,提出了频域盲源分离与波束形成结合的干扰抑制方法:以子带分解的方法实现宽带干扰抑制。对每个子带进行频域盲源分离,并估计出各分离信号的方位,将与给定强干扰方位匹配的分离信号置零,利用估计的解混矩阵和处理后的分离信号重构回阵元域信号并进行波束形成实现目标方位估计。声呐模拟器数据与海试数据验证结果表明,相对于传统零陷常规波束形成与零陷最小方差无失真响应波束形成方法有2 dB以上的增益,约6 dB的背景级降低,证明该方法在抑制方向性强干扰方面是有效的。      

圆阵快速数字多波束形成

在时域上实现多波束形成,其运算量与系统时空采样点数的平方成正比.木文提出以“交迭-贮存”的方法计算输入信号与时延横向滤波器脉冲响应的卷积,再根据Farrier等人的工作,用FFT算法完全实现时域上的圆阵多波束形成.因此在节省运算量的同时,保证了结果的准确.文中给出了计算机模拟计算的结果,同时还提出了一种非整数倍采样周期时延的方法,改善了指向特性.     

声呐信号测向技术仿真研究及实现

方位估计是声呐信号处理中的一个核心问题，本文基于分裂波束原理，针对声呐系统中常用的单频ＣＷ信号和双曲调频ＨＦＭ信号，给出ＣＷ信号的互谱法法定向和ＨＦＭ信号的正交相关法定向的方法，计算机仿真实验分析了本文方法的精确性。     

基于子带分解的宽带波束域最小方差无畸变响应高分辨方位估计方法研究

针对最小方差无畸变响应法对宽带不适用、计算量较大和如何与实际声呐系统结合这三个问题,提出了基于子带分解的宽带波束域MVDR高分辨方位估计方法:它以子带分解的方法实现MVDR在宽带情形下的扩展;利用波束转换实现降维运算,大大减小运算量和提高算法的稳健性;并且提出了在声呐系统使用中的新思路:可将该方法与声呐的多波束系统结合,直接利用声呐多波束系统的输出,可省去从阵元域到波束域的转换,进一步减少运算量;可用于替代传统的分裂波束精测定向系统或单波束系统,提高整个声呐定向系统的性能。经过理论分析、仿真实验和湖试实验,证明了该方法是简单的、有效的、可行的。     

多输入多输出与时反联合的波导声呐有源目标定位

为了提高对浅海静止小目标的探测能力,提出了将多输入多输出和时反处理相结合的波导声呐处理框架。利用收发合置垂直阵,假设目标为点目标,每一个阵元轮流时反发射正交信号照射目标,整个阵接收对应的目标回波。当所有的阵元发射正交信号结束以后,对所有接收的目标回波数据进行分集处理,然后与时反发射驾驶向量做匹配滤波完成对目标的定位。分时发射策略克服了水声信道时延扩展和多普勒扩展导致常规多输入多输出处理接收端不同回波信号分离的困难。采用物理时反发射和数值时反接收聚焦,有助于抑制混响、提高回混比。数值仿真和波导水池实验结果表明多输入多输出时反处理较常规的有源匹配场处理以更高的精度对波导中的目标进行定位。      

阵不变量匹配主动声呐目标深度辨识

水面/水下目标深度辨识可以在主动声呐探测过程中快速筛选感兴趣目标。根据目标多径返回信号到达时间与目标深度的关联性,该文提出了基于水平线阵的主动脉冲响应匹配目标深度辨识方法,该方法利用主动信号传播特性结合阵不变量理论提取脉冲响应,并与拷贝声场匹配实现目标深度估计。在校正了目标多径回波的方位变化后,该方法提取的时域特征较为稳定,并且只在时延估计距离处进行深度搜索。通过水平阵收集的宽带实验数据,在连续的多次回波中实现了对水面/水下目标92%的辨识成功率,验证了该方法在浅海环境下的目标深度估计能力。     

数字式声呐显示系统的GSC算法

方位历程显示已被证明为检测信号的有效手段。数字式声呐的多波束数据与调亮显示系统之间存在着一个接口,它有可能使信号处理系统已获得的增益受到损失。选择合理的算法会使这种损失减到最小。本文提出的灰度级转换算法(GSC)是一种实时的数字运算技术。在输入信噪比较低时会使弱信号的检测能力有所改善,同时又对强信号的检测不会有严重的影响。本文提出的算法易于由硬件实现。计算机模拟实验的结果与理论一致。文中给出了硬件设计的概要说明。     

一种新颖的短线阵高精度定位系统

本文提出了一种基于自适应相位差计的方位序列估计技术,在应用于一个短线阵的分裂波束定向系统时,不仅有较高的测向精度,而且因为可以获得较高的阵处理增益,因而能对远距离目标进行精确定位。     

自适应波束成形系统的极限分辨力和最佳加权系数的动态

本文研究自适应波束成形声呐设计中的几个问题。其一是自适应波束成形系统的极限分辨力,我们给出这种系统输出信噪比和增益的一般表达式。提出一种计算自适应波束成形系统抗平面波干扰能力的计算方法。 作为信号和干扰之间广义夹角的函数,给出计算系统增益的公式及相应的数值计算结果。 指出,极限分辨力不仅依赖于广义夹角而且与干扰/噪声比有关。文中给出具体的例子。 本文研究的另一个问题是最优加权系数的动态问题,根据频域上最优传输函数的解,可以给出最优加权系数的一个上界。 本文的结果可以直接应用于实际自适应波束成形的雷达或声呐的设计。